一文詳解窄線寬激光器

00引言

許多激光應(yīng)用（見下文）需要具有非常小的光學(xué)線寬，即具有窄光譜的激光器。術(shù)語窄線寬激光器通常適用于單頻激光器，即在具有低相位噪聲和高光譜純度的單諧振腔模式上振蕩的激光器。通常，此類激光器還表現(xiàn)出低強度噪聲。

01窄線寬激光器的種類

最重要的窄線寬激光器類型如下：

在半導(dǎo)體激光器中，分布式反饋激光二極管（DFB 激光器）和分布式布拉格反射激光器（DBR 激光器），例如工作在 在 1.5- 或 1.0-μm 波長范圍內(nèi)，是最常見的。典型的操作特性是幾十毫瓦（或可能略高于 100 毫瓦）的輸出功率和幾兆赫茲的線寬。

來自半導(dǎo)體激光器的明顯更小的線寬是可能的，例如 通過使用包含窄帶寬光纖布拉格光柵的單模光纖或其他類型的外腔二極管激光器來擴展諧振器。通過這種方式，可以實現(xiàn)幾千赫茲甚至低于 1 kHz 的超窄線寬。

分布式反饋激光器形式的小型光纖激光器（諧振腔主要由特殊的光纖布拉格光柵形成）可以產(chǎn)生數(shù)十毫瓦的輸出功率，線寬在幾千赫茲左右。

使用更長的分布式布拉格反射激光器（DBR 光纖激光器）或單向光纖環(huán)形激光器以及使用光纖放大器可以產(chǎn)生更高的輸出功率。

二極管泵浦固態(tài)體激光器，例如 以非平面環(huán)形振蕩器的形式，也可以具有幾千赫茲的線寬，結(jié)合 1 W 數(shù)量級的相對較高的輸出功率。雖然 1064 納米波長是典型的，但其他波長，例如 在 1.3 或 1.5 微米波長范圍內(nèi)也是可能的。

02窄激光線寬的基本因素

為了實現(xiàn)激光器的窄發(fā)射帶寬（線寬），必須觀察激光器設(shè)計的幾個問題：

首先，需要實現(xiàn)單頻操作。當使用具有小增益帶寬的增益介質(zhì)和短長度的激光諧振器（導(dǎo)致大的自由光譜范圍）時，這是最簡單的。目標應(yīng)該是長期穩(wěn)定的單頻操作，沒有跳模。

其次，必須盡量減少外部噪聲影響。這需要一個穩(wěn)定的諧振器設(shè)置（最好是單片的），可能有特殊的機械振動保護。電泵浦激光器應(yīng)使用低噪聲電壓或電流源工作，而光泵浦激光器應(yīng)使用低強度噪聲的泵浦源。此外，必須避免任何光學(xué)反饋，例如 通過使用法拉第隔離器。理想情況下，外部噪聲的影響將低于內(nèi)部噪聲，例如 來自增益介質(zhì)中的自發(fā)輻射。這通常在高噪聲頻率下很容易實現(xiàn)，但在對線寬最重要的低噪聲頻率下則不然。

第三，應(yīng)優(yōu)化激光器設(shè)計，使激光器噪聲，尤其是相位噪聲最小化。高腔內(nèi)光功率和長諧振器可能是有益的，盡管使用更長的諧振器更難以實現(xiàn)穩(wěn)定的單頻操作。

當然，設(shè)計優(yōu)化需要知道不同噪聲源的相對重要性，因為根據(jù)哪個噪聲源占主導(dǎo)地位可能需要不同的措施。例如，根據(jù) Schawlow-Townes 方程最小化線寬的措施不一定會最小化實際線寬，如果這是確定的，例如 由于機械噪音。

03噪聲特性和規(guī)格

窄線寬激光器的噪聲特性和規(guī)格都遠非微不足道的問題。關(guān)于線寬的文章中討論了各種測量技術(shù)，特別是對于幾千赫茲或更低的線寬值，此類測量要求很高。此外，單獨的線寬值不能被視為完整的噪聲特性；除了相對強度噪聲的信息外，最好有一個完整的相位噪聲譜。至少，線寬值應(yīng)該與測量時間一起指定，并且可能與一些關(guān)于較長時間間隔的頻率漂移的信息一起指定。

當然，不同的應(yīng)用有不同的要求，應(yīng)該詳細檢查在任何特定情況下真正要求的噪聲規(guī)范有多嚴格。

04窄線寬激光器的應(yīng)用

一個特別重要的應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器領(lǐng)域，例如 用于應(yīng)變和/或溫度的光纖傳感器、各種類型的干涉?zhèn)鞲?、使用差分吸收激光雷達 (DIAL) 的痕量氣體檢測或使用多普勒激光雷達進行風速測量。一些光纖傳感器只需要幾 kHz 的線寬，而 100 kHz 就足夠了，例如，LIDAR 測量。

光頻計量需要線寬非常窄的光源，通常通過穩(wěn)定技術(shù)來實現(xiàn)。

全息術(shù)需要連續(xù)波或脈沖單頻激光器來產(chǎn)生高度相干的光。

通常對線寬要求不高的是光纖通信中的應(yīng)用，例如 在發(fā)射機中或用于測試和測量目的。

審核編輯：湯梓紅